Čo je to kvantová komunikácia
Navrhujem začať od základov a pozrieť sa na samotnú frázu. má
Najrozvinutejší smer v rámci technológie- kvantová kryptografia, alebo presnejšie distribúcia kvantových kľúčov. Ide o súbor metód zameraných na generovanie zdieľaného tajného kľúča medzi vzdialenými používateľmi, ktorý sa potom používa na šifrovanie.
Ďalšou úlohou kvantovej komunikácie je prenoskvantová informácia medzi kvantovými počítačmi. Technológie plynule smerujú k rozvoju distribuovaných kvantových výpočtov, teda k vytvoreniu napríklad centrálneho kvantového počítača a mnohých periférnych strojov, ktoré riešia niektoré čiastkové úlohy a navzájom si prenášajú dáta. Alternatívou k tomu by mohla byť sada vzájomne prepojených vzdialených kvantových procesorov. Vo februári 2021 skupina výskumníkov z Nemecka preukázala možnosť prenosu kvantových informácií medzi dvoma modulárnymi kvantovými procesormi. Výsledky experimentu boli publikované v časopise Science. Ide o dôležitý krok vo vývoji technológie, ktorý ukázal, že je možné zvýšiť výkon kvantových výpočtových technológií spojením viacerých zariadení do siete.
Zaujímavou technologickou funkciou jeFaktom je, že ak si v kvantových počítačoch vyberieme platformu, ktorá je najefektívnejšie vhodná na riešenie určitých problémov, potom pri výmene kvantových informácií je všetko zrejmé: fotóny, teda častice svetla, odvedú najlepšiu prácu. Alternatívy prakticky neexistujú. Výskumníci si preto už uvedomujú, aká bude základňa prvkov. Jediným problémom je, že kvantová informácia, ktorá vzniká napríklad v rámci činnosti supravodivého kvantového počítača, sa nejakým spôsobom preloží na fotón, ktorý sa dá prenášať na veľké vzdialenosti. A potom ho znova previesť do podoby, ktorá je prístupná kvantovému počítaču. Ak je kvantová kryptografia jasný technologický front, ktorý je vo veľmi vysokom štádiu pripravenosti, potom je oblasť kvantovej komunikácie spojená s výmenou kvantových informácií medzi kvantovými počítačmi veľkou úlohou, ktorá je v pomerne skorom štádiu.
Zatiaľ čo v kvantových výpočtoch je to bežná praxhovoríme o kvantovom objeme - zvyšovanie počtu qubitov a presnosti operácií, v kvantových komunikáciách v širokom kontexte zatiaľ neexistuje jediná metrika. V kvantovej kryptografii sa vedci zameriavajú na rýchlosť generovania kľúčov na akúkoľvek vzdialenosť. Najčastejšie sa uvažuje o rýchlosti generovania kľúča 50 km, čo umožňuje porovnávať rôzne zariadenia. Niekedy študujú aj niektoré obmedzujúce charakteristiky, napríklad maximálnu vzdialenosť pre generovanie kľúčov.
Železničné kvantá
Existuje niekoľko oblastí okolo systému železničnej dopravy, kde by mohla byť užitočná kvantová komunikácia (vrátane kryptografie).
V prvom rade je to príbeh o optických vláknachkáble. Kábel z optických vlákien je jedným z hlavných nástrojov na prenos kvantových informácií. V kvantovej kryptografii ho používame na prenos fotónov, ktoré tvoria kryptografické kľúče.
Za druhé, samotná železničná infraštruktúra -súbor zložitých technických predmetov, ktoré musia byť chránené. V ideálnom prípade, keby sme mali kvantovú distribúciu kľúčov pozdĺž železničných tratí, mohli by sme tieto kvantové kľúče použiť na riešenie problémov s informačnou bezpečnosťou, ktoré vznikajú v železničnom odvetví.
A nakoniec, mnoho železničných trás -nielen preprava osôb, ale aj preprava veľkého množstva rôznych dát. Napríklad Moskva - Petrohrad, jeden z vlajkových projektov ruských železníc. Hodnota trasy je zrejmá: v Moskve je kolosálny počet používateľov údajov a v Petrohrade nie menej. Vymieňajú si veľké množstvo zmysluplných informácií, ktoré je potrebné chrániť, takže myšlienka používania kvantovej kryptografie je bezpochyby ekonomicky odôvodnená.
Obvykle implementácia kvantovej distribúciekľúče medzi dvoma bodmi A a B, ktoré sa nachádzajú vo vzdialenosti viac ako sto kilometrov, sa vykonávajú pridaním ďalších medziľahlých dôveryhodných uzlov na trase z bodu A do bodu B. Takáto sieť sa nazýva „chrbtica“ (v angličtine chrbtica) - „Hi-tech“). Vo svete je možná aj štruktúra prsteňa: keď zlyhá časť prsteňa, informácie je možné odoslať do inej časti prsteňa. Vďaka dizajnu hviezdneho systému funguje centrálna kancelária a periférna architektúra - sú vhodné pre distribuovanú architektúru. Môžu existovať uzavreté a otvorené štruktúry, rozvetvené, podobne ako sieť Peking-Šanghaj, je to druh „chrbtovej kosti“ so sadou diaľkových sietí.
Kvantová a postkvantová kryptografia
Nepredpokladajte, že kryptografia jevýlučne pre spoločnosti vo finančnom alebo bankovom sektore, týka sa to všetkých. Všetci si musíme vymieňať údaje v šifrovanej forme, pretože niektoré informácie, ktoré používame, majú v skutočnosti vysokú hodnotu. Chceme napríklad uskutočniť nákup na internete pomocou kreditnej karty. Na to musíme nejako preniesť údaje o kreditnej karte do banky, ale tak, aby banka mohla odpísať peniaze, ale útočník nie.
Kryptografická paradigma je založená na skutočnosti, že metódapremena je útočníkovi známa. To znamená, že vie, ako šifrujeme, ale nepozná jediný tajný šifrovací parameter – kryptografický kľúč. To znamená, že na implementáciu šifrovacieho cyklu si musíme nejakým spôsobom vymeniť kryptografický kľúč s príjemcom informácie.
Ako môžem preniesť kľúče?Na vyriešenie tohto problému boli na štátnej a firemnej úrovni využívaní špeciálni kuriéri. Metóda je čiastočne implementovaná dodnes – napríklad diplomatmi. Nevýhody tohto prístupu sú zrejmé: je zložitý, ekonomicky nerealizovateľný a funkčne vhodný len pre veľmi malý počet operácií – takto si knihu na internete nekúpite.
Niekde v polovici 70. a 80. rokov novékonceptom je kryptografia s verejným kľúčom. Myšlienka je, že môžeme vygenerovať kryptografický kľúč implementáciou nejakého súboru matematických postupov. Takže my, legitímni používatelia, budeme musieť vykonávať iba efektívne matematické operácie, ako je násobenie čísel. A na to, aby útočníci získali prístup k našim kľúčom, budú musieť implementovať komplexnú operáciu – napríklad rozdeliť čísla na prvočísla.
Tento koncept funguje skvele aj dnes, aleV určitom okamihu sa ukázalo, že v momente, keď sa objaví dostatočne výkonný kvantový počítač, súčasná generácia algoritmov, postavená na problémoch, ako je rozdelenie čísel na prvočísla, prestane byť stabilná. Budú potrebné nové prostriedky na generovanie kryptografických kľúčov, keďže hlavným zraniteľným prvkom kryptografie s príchodom kvantového počítača bude distribúcia kľúčov a digitálne podpisy.
Existujú dva zásadne nové prístupy kriešenie problému. Prvou je kvantová kryptografia, teda distribúcia kvantových kľúčov (ktorú sme už popísali). Kvantová kryptografia funguje takto: bitové informácie kódujeme do jednotlivých kvantových stavov svetla (fotón) a prenášame ich. Podľa úrovne chýb v prenose môžete okamžite určiť stupeň prieniku narušiteľov. Ak chybovosť nepresiahne určitý prah, hovoríme, že kľúče môžeme skrátiť špeciálnym spôsobom tak, aby informácie o zachytávači o skrátených kľúčoch boli zanedbateľné. Tento postup sa nazýva „kalenie“ a je potrebný na získanie konečných tajných kľúčov.
Riešime teda problém distribúciekryptografické kľúče, ak majú útočníci kvantový počítač, pretože kvantovú kryptografiu nemožno prelomiť pomocou kvantového počítača. Výhody: Základné zabezpečenie založené na fyzike. Nevýhody: obmedzenia vzdialenosti, nákladov a rýchlosti generovania kľúčov. Je tiež dôležité poznamenať, že distribučné systémy s kvantovými kľúčmi sú komplexné hardvérové a softvérové systémy. Napriek tomu, že bezpečnosť kvantovo generovaných kľúčov je dokázaná na základe axióm kvantovej mechaniky, pri konkrétnej fyzickej implementácii vždy existuje riziko zraniteľnosti.
Druhý prístup - postkvantová kryptografia - myšlienkavytvorenie nových asymetrických kryptografických algoritmov, ktoré nie sú postavené na problémoch rozkladu čísel na hlavné faktory, ale na iných zložitých matematických problémoch, pri riešení ktorých nebude mať kvantový počítač žiadne výhody. Napríklad hľadanie kolízie hašovacej funkcie. Ukazuje sa, že ak postavíme podpis alebo distribúciu kľúčov na takých, ako sa hovorí, postkvantových primitívach, môžeme sa brániť útokom pomocou kvantového počítača.
Post-kvantová kryptografia je dnes dostatočnádobre vyvinuté: komerčné knižnice, riešenia, produkty sú už prezentované. Teraz technológia prechádza fázou štandardizácie: v Rusku aj vo svete prebieha proces rozhodovania o tom, ktoré riešenia budú štandardizované. Myslím si, že v horizonte roku 2024 budú štandardy fixné. Výhody technológie: jednoduchosť a vysoká rýchlosť integrácie (keďže hovoríme o softvéri), pravidelné aktualizácie softvéru. Už dnes sa takéto riešenia využívajú na posilnenie ochrany cenných dát širokej škály služieb a aplikácií pre firemných používateľov i jednotlivcov (webové, mobilné a desktopové aplikácie). Hlavnou nevýhodou je, že utajenie postkvantovej kryptografie je stále založené na niektorých predpokladoch o náročnosti riešenia určitých tried matematických problémov. Vždy existuje určitá hypotetická pravdepodobnosť, že sa objaví „postkvantový“ počítač, s ktorým bude možné hacknúť postkvantové algoritmy. Na rozdiel od distribúcie kvantových kľúčov. Neexistuje tu žiadna zásadne dokázateľná sila - takéto algoritmy sa naďalej skúmajú z hľadiska ich odolnosti.
Stojí za zmienku, že tieto dve technológie môžu byťveľmi dobre skombinované. Takto môžu byť vysoko zaťažené chrbtové prenosové kanály medzi napríklad dátovými centrami veľkých spoločností chránené pomocou kvantovej kryptografie. A naša korešpondencia alebo banková transakcia za tisíc rubľov sa robí pomocou postkvantovej kryptografie. To znamená, že kvantovej a postkvantovej kryptografii by sme nemali odporovať, ale produktívne o nich uvažovať ako o synergických technológiách. Ide len o to, že jeden je viac zameraný na vrstvu zásobníka súvisiacu s infraštruktúrou a druhý sa týka používateľa.
Štandardom kvantovej kryptografie je tiežsa formuje. Štandardom bude špecifický protokol, teda konkrétna metóda, aký kvantový stav treba vziať, ako ho pripraviť a zmerať a čo s tým ďalej. Zatiaľ existuje jeden kandidát na štandardy - protokol BB84 s klamlivými stavmi. Tento protokol zaručuje generovanie tajných kľúčov. Neustále sa však objavujú nové protokoly.
Kvantový blockchain a startupy
V posledných rokoch sa tomu venuje veľká pozornosťblockchain technológie – technológie na správu distribuovaných databáz. Blockchainy využívajú dva dôležité kryptografické nástroje. Najprv elektronické podpisy na potvrdenie autorstva transakcií, ktoré chceme posielať do blokov. Po druhé, rôzne metódy na dosiahnutie konsenzu. Napríklad jedna z metód, proof of work (v angličtine, proof-of-work - „High-Tech“), je založená na kryptografických hašovacích funkciách.
Blockchain je zraniteľný voči kvantovému počítačunajmä ak sa používajú elektronické podpisy a mechanizmy konsenzu, ktoré nie sú odolné voči útokom kvantových počítačov. Je však možné vytvoriť blockchainy, ktoré sú voči takýmto útokom odolné – kvantovo bezpečné (kvantové) blockchainy. Kvantový blockchain využíva buď kvantovú alebo postkvantovú kryptografiu (alebo ich kombináciu) a umožňuje, aby podpisy a konsenzus boli odolnejšie voči kvantovému počítaču.
S výhradou záujmu ruských používateľovv nasledujúcich dvoch až troch rokoch môžeme očakávať vznik kvantového blockchainu v krajine. Spočiatku je potrebné vytvoriť infraštruktúru kvantových komunikačných sietí, na ktorej bude v budúcnosti vytvorený distribuovaný systém.
Najpopulárnejšia je kvantová komunikáciasmer pre prácu ruských startupov. Na trhu pôsobí niekoľko divízií veľkých spoločností, predajcov klasickej informačnej bezpečnosti. Ide o startupy založené na ITMO University, Quanttelecom, divíziách spoločností špecializujúcich sa na informačnú bezpečnosť, Infotecs a Cryptosoft. QRate je oddelením ruského kvantového centra od roku 2017. Začínajúci podnikatelia pravdepodobne budú pracovať s grantmi a súkromnými investíciami. Rizikové obchody v Rusku sú pre mňa stále neznáme.
Internet vecí a kvantová bezpečnosť
Mnoho zariadení internetu vecí – senzory –môžu byť klasické aj kvantové. Povedzme, že máme sadu klasických senzorov, zariadení internetu vecí, riadiacich brán, ktoré majú dôverné informácie. Na ich prepojenie potrebujete protokol kryptografickej ochrany – opäť kvantová komunikácia.
V tomto smere sú zatiaľ lenprototypy, ktoré chránia jednotlivé prvky alebo zariadenia - je príliš skoro hovoriť o priemyselnom rozsahu. Po prvé, svet musí pochopiť hodnotu smerovania, vybrať zariadenie internetu vecí, ktoré potrebuje ochranu a efektívne implementovať kvantovú komunikáciu. Okrem toho je potrebné prekonať množstvo technických prekážok.
Dnes nie je celkom jasné, čo presne je inInternet vecí treba chrániť na tak vysokej úrovni. S rozširovaním technológie internetu vecí však rastie aj hodnota informácií a hodnota ich hackovania. Teoreticky môže byť hackovanie obzvlášť nebezpečné v plne automatizovanej výrobe. Ak teda senzory prenesú do rozhodovacieho centra nesprávne informácie, rozhodnutia sa budú robiť nesprávne a ekonomické škody z takéhoto útoku môžu byť dosť značné.
Päť odvetví, v ktorých sa čoskoro začne uplatňovať kvantová komunikácia
- Financie.Banky sú prvými používateľmi nových technológií.
- Verejný sektor.Tu sa komunikácia týka používateľských údajov, vládnych systémov, volieb, teda všetkých oblastí, v ktorých je dôležitá vysoká úroveň ochrany.
- Telekomunikácie.Služby vzdialeného ukladania informácií (dôležitá je pre ne aj dobrá ochrana). Údaje na ukladanie môžu byť šifrované pomocou kvantovej metódy.
- Liek.Svet zhromažďuje stále viac genetických údajov,ktoré určujú celý život človeka a jeho vlastnosti. V mnohých krajinách už prebieha proces poskytnutia právnej sily časti genetických údajov osoby, ktorá ich prirovnáva k údajom z pasu. Je tiež dôležité chrániť ich pred útokmi a manipuláciou.
- energie.Je dôležité chrániť riadenie veľkej infraštruktúry, automatizačných systémov a prenosu energie. Kryptografia sa už v takýchto systémoch používa na mnohých miestach.
Kvantová komunikácia vo svete a v Rusku
Kvantová komunikácia po celom svete sa stala súčasťounárodných programov o kvantových technológiách. Odborníci považujú Čínu za svetového lídra, ale komunikácia sa aktívne rozvíja aj v Európskej únii. Japonská spoločnosť Toshiba prevádzkuje laboratórium v Cambridge, niekoľko projektov pracuje v Spojenom kráľovstve a USA (ale tie sú stále viac zamerané na kvantové výpočty).
Sféra kvantovej komunikácie v Rusku vyzeráinvestícia atraktívna. Technologická úroveň ruskej kvantovej kryptografie je dnes porovnateľná s globálnou a niektoré riešenia pre dodatočné spracovanie kľúčov vyzerajú lepšie ako ich svetoví kolegovia.
Ako každá pomerne mladá technológia,Kvantová komunikácia má určité ťažkosti s rozsiahlym vývojom. Kým vo svete neexistuje precedens s hackovaním alebo krádežou akýchkoľvek cenných informácií pomocou kvantového počítača, kvantové šifrovanie vyzerá skôr ako poistenie. Ľudia nerozumejú, či sa jeho potenciál naplno realizuje, čo následne sťažuje prilákanie investícií. Na preukázanie potenciálu potrebujete aspoň jeden hack. Aby sme to odhalili, na ruskom trhu chýbajú projekty ako cestovná mapa; masová výroba zariadení a pokusy o ich zlepšenie.
Nie všetky spoločnosti otvorene zdieľajú údaje o tom, čiv akej fáze vývoja sú ich riešenia. QRate má hotový produkt pripravený na priemyselné využitie; potenciálni klienti, napríklad Gazprombank, ho testujú. Sber tiež rok testoval systémy spoločnosti na odolnosť voči poruchám. Startup vyvíja kvantovú komunikačnú technológiu so zameraním na implementáciu optických vlákien.
Stavba sa začala v decembri 2020hlavná kvantová sieť Moskva - Petrohrad ruskými železnicami. Jedná sa o čiaru, ktorá bude pozostávať zo segmentov vo vzdialenosti 100-200 km. Sú potrebné na zníženie strát pri prenose signálu, opätovné šifrovanie signálu v uzloch. Používajú sa klasické dôveryhodné uzly v sieti, pretože kvantové opakovače nie sú ešte dostatočne vyvinuté (ďalší z veľkých vedeckých problémov). Vo všeobecnosti je táto sieť príkladom ekonomicky životaschopného projektu v oblasti kvantovej komunikácie s veľkým množstvom údajov, ktoré kolujú medzi Moskvou a Petrohradom. Sieť okrem iného pomôže chrániť komunikačné kanály, prostredníctvom ktorých budú ovládané bezpilotné Sapsany a lastovičky.
Čítaj viac:
Spomalenie rotácie Zeme spôsobilo uvoľnenie kyslíka na planéte
Astronómovia spozorujú v hlbokom vesmíre neobvyklé štruktúry
Pozrite sa na viac ako 60 000 rokov staré neandertálske skalné umenie